x86構架的SoC及STPC的一種應用
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新世紀電子工程師們面臨的一個(gè)重要課題就是如何面對國民經(jīng)濟和社會(huì )生活的信息化挑戰。以網(wǎng)絡(luò )通信、軟件和微電子為主要標志的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，既為我們提供了一個(gè)前所未有的發(fā)展機遇，也營(yíng)造了一個(gè)難得的市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)環(huán)境。隨著(zhù)電子工業(yè)中深亞微米、超深亞微米技術(shù)的突破，以往電子工程師們擅長(cháng)的電路設備正在一步步被IC設計所取代。也正是由于這種小型化的趨勢，使得SoC（System on Chip）成為超大規模集成電路(VLSI)的發(fā)展趨勢和新世界集成電路的主流。
對于計算機的核心―CPU來(lái)說(shuō)，從應用的角度可將其分為主要的三類(lèi)：x86 CPU、嵌入式CPU和其它高性能CPU。x86 CPU是指PC用的CPU，即x86體系結構的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD和威盛（Cyrix）等公司與其兼容的CPU；嵌入式CPU是指應用了各種小型、專(zhuān)用信息設備里的CPU，主要是以低價(jià)格、低功耗為特征，著(zhù)名的有ARM、MIPS等公司的CPU；其它高性能CPU是指用于于服務(wù)器和超級計算機中的高性能64位CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。人們常說(shuō)的“通用CPU”，一般是指x86 CPU。上述所謂“通用”或“專(zhuān)用”的分類(lèi)都是不大嚴格的，例如ARM公司的CPU是“嵌入式CPU”，但它也非常通用；x86 CPU是“通用CPU”，但它也可以用在嵌入式設備上，而且現在x86 CPU的性能很高，在服務(wù)器上也有廣泛的應用。所以，這些分類(lèi)都是相對的，只是在一定程序上反映這些CPU的特性。
SoC的出現，尤其是x86構架的SoC擴展了嵌入式系統應用領(lǐng)域，同時(shí)也推出了嵌入式操作系統和嵌入式軟件的發(fā)展，使得消費類(lèi)電子產(chǎn)品的應用領(lǐng)域更加寬廣。實(shí)際上，目前SoC已經(jīng)成為整個(gè)IC技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向?，F在，大家都在談?wù)撊?PC市場(chǎng)發(fā)展速度的趨勢、談?wù)撍^的“后PC時(shí)代”、談?wù)撔畔⒓译?。盡管2001年全球半導體產(chǎn)值將衰退20%以上，是半導體產(chǎn)業(yè)有史以來(lái)最大幅度的負增長(cháng)，不過(guò)SoC技術(shù)的應用卻是有增無(wú)減。2000年約有40%的ASIC設計使用SoC技術(shù)，2001年有60%以上的ASIC設計使用SoC技術(shù)，顯然這并不是一個(gè)終結數字。
圖1 總體框圖
2 STPC
意法半導體公司（STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱(chēng)ST）是最早充分認識到SoC技術(shù)對消費電子業(yè)意義的芯片制造廠(chǎng)商之一。正是由于ST具有敏銳的洞察力，當然不會(huì )放過(guò)兼容Intel x86 CPU的SoC市場(chǎng)。1995年，當ST的新風(fēng)險組織（NVG）意識到越來(lái)越多的嵌入式應用需要構建PC結構的平臺，而ST也有能力和技術(shù)在單一芯片為用戶(hù)提供這樣的一個(gè)平臺時(shí)，STPC就誕生了。今天，STPC已經(jīng)能夠提供從486到PII級的、整合了芯片集的x86構架的SoC。
STPC高度綜合的x86 PC兼容SoC設備家族中的3個(gè)新設備是建立在0.25μm技術(shù)上的。該技術(shù)允許它們提供高度綜合、低能源消耗和低成本。它們是：STPC-Client、STPC-Customer II和STPC Industrial。其共有的功能如下：
*64位、133MHz x86兼容的CPU；
*8KB L1高速緩存；
*轉移率為720MB/s的64位SDRAM內存控制器；
*PC兼容的DMA、中斷、定時(shí)控制器；
*ISA和PCI總線(xiàn)控制器；
*總線(xiàn)控制EIDE控制器；
*JTAG測試端口。
每種STPC設備的目標都有不同類(lèi)型的應用。
①STPC-Client?！盁o(wú)組織應用”的“服務(wù)器產(chǎn)品引擎”。典型的應用是帶有存儲器的網(wǎng)絡(luò )、防火墻、Web服務(wù)器、傳真服務(wù)器、打印服務(wù)器、家庭網(wǎng)關(guān)、路由器、PBX等。
STPC-Client增加的功能：
*16線(xiàn)通用I/O模塊。
②STPC-Customer II。使用TV或監控器來(lái)實(shí)現顯示和視頻性能的產(chǎn)品的“TV產(chǎn)品引擎”。典型的應用是Web盒、可訪(fǎng)問(wèn)Web的TV和TV機頂盒、Web DVD等。
STPC-Customer II增加的功能：
*帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速；
*PAL/NTSC TV視頻輸出接口；
*視頻輸入端口。
③STPC Industrial。帶有CRT或TFT LCD顯示的產(chǎn)品和終端的“上網(wǎng)產(chǎn)品/終端引擎”。典型的應用是Internet終端、瘦型客戶(hù)機終端、Web電話(huà)、Web便簽簿、汽車(chē)導盤(pán)設備和娛樂(lè )系統。
STPC-Industrial增加的功能：
*帶有RAMDAC的VGA/SVGA兼容的圖形加速功能；
*TFT LCD顯示接口；
*視頻輸入端口；
*PS/2鍵盤(pán)和鼠標；
*PC兼容的雙UART和并行端口；
*雙USB主機集線(xiàn)器；
*PCMCIA/Cardbus控制器。
圖2 STPC-Industrial的邏輯結構
3 基于STPC-Industrial的設計應用
正是由于STPC為我們提供了設計PC構架的嵌入式系統的基礎，使得嵌入式應用能夠實(shí)現更多的功能。
下文介紹一種基于STPC-Industrial的平板網(wǎng)絡(luò )終端設備的設計與實(shí)現。該設備工作于各種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò)運行在DoC（Disk on Chip）上的程序完成一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的輸入/輸出。該設備的總體框圖如圖1所示。
（1）PC部分
該設備的核心PC部分采用的是STPC-Industrial芯片，圖2是STPC-Industrial芯片的邏輯結構圖。
系統配置：
133M x86 CPU、128K BIOS、64MB DRAM、2個(gè)串口、USB接口、15英寸LCD。
（2）網(wǎng)卡部分
該設備采用的是PCI接口的，10/100M自適應網(wǎng)絡(luò )控制器―AM79C973。由它來(lái)構成網(wǎng)絡(luò )接口。
（3）Disk on Chip
作為一個(gè)嵌入式系統，該設備并不需要配備大容量的硬盤(pán)，而只需將嵌入式操作系統和應用程序存放于一個(gè)64MB容量的DoC中，即可滿(mǎn)足應用要求。DoC中的程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載，也可在調試過(guò)程中通過(guò)調試用的串口編制。
DoC占用系統0CC00:0～0CFFF:F這16K的空間。DoC的譯碼及控制邏輯由Lattice公司的CPLD產(chǎn)品―iM4A5 192/96中的邏輯實(shí)現。該邏輯在Lattice公司的EDA工具―ispDESIGN EXPERT下用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)完成。
（4）操作系統及應用軟件
該設備為用戶(hù)提供的是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )終端解決方案。用戶(hù)可根據需要將一個(gè)簡(jiǎn)化的操作系統和應用程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到DoC上，構成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )終端。
（5）特點(diǎn)及應用領(lǐng)域
由于該設備提供的是一個(gè)較為通用的硬件平臺，故具有相當的靈活性，即只需將應用軟件稍加改動(dòng)或添加少量的設備就可適用于更多的領(lǐng)域。如：
①采用工業(yè)級或軍用芯片，并對機箱進(jìn)行加固處理，即可構成適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的瘦型網(wǎng)絡(luò )終端或軍用領(lǐng)域的單兵作戰系統的硬件平臺；
②與GPS設備相連接，并加裝存放電子地圖的大容量USB硬盤(pán)，在該設備上運行GIS，即可適用于汽車(chē)電腦、船只導航等領(lǐng)域。
這種基于STPC的網(wǎng)絡(luò )終端設備最大的特點(diǎn)是體積小、結構簡(jiǎn)單、功能強大、軟件適用性強。該設備可作為瘦型網(wǎng)絡(luò )終端廣泛應用于銀行、證券等金融機構和公共網(wǎng)絡(luò )接入的柜臺、查詢(xún)等業(yè)務(wù)，同時(shí)也可作為網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)應用于工業(yè)控制領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)前景。
綜上所述，SoC是未來(lái)IC的發(fā)展方向，尤其是x86構架的SoC更是為嵌入式系統的應用開(kāi)辟了新的天地。它的發(fā)展將推動(dòng)科學(xué)研究、科技發(fā)展，并且可以給我們帶來(lái)更多具備多樣化功能和多用途的產(chǎn)品。
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